JPS62170486A - 鋳鉄製内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は大型ディーゼルエンジン等の内燃機関に使用
される鋳鉄製ピストンおよびその製造方法に関するもの
であり、待に高温に曝されるピストンヘッド部の少なく
とも一部の表面層を局部的に強化した鋳鉄製ピストンお
よびその製造方法に関するものでめる。

従来の反術 鋳鉄製の内燃機関用ピストンは、アルミニウム合金製ピ
ストンと比較して重量は大きいものの、一般に高温強度
に擾れているため、大型ディーゼルエンジン等に使用さ
れている。

ところでディーゼルエンジン、持に直噴型ディ−ゼルエ
ンジンにおいては、ピストンのヘッド部は燃料噴射を受
けて高温に曝される。特にピストンヘッド部のうち、噴
射燃料が直接吹き付けられる噴口部のホットスポット部
は著しく高温となるから、耐熱衝撃性、耐熱疲労性が優
れていることが要求される。最近のディーゼルエンジン
の高出力化に伴なって、燃料室のより−１の高温化が望
まれるようになり、そのため前述のようなピストンヘッ
ド部、特にホットスポット部の耐熱衝撃性、耐熱疲労性
の向上に対する要請はますます強まっている。

しかるに従来の通常の鋳鉄製ピストンは普通鋳鉄で作ら
れているものが多く、このような普通鋳鉄製ピストンで
は上述のような要請に充分に応えることは困難であり、
熱応力等によってホットスポット部に亀裂が生じてしま
うことを避は冑ず、したがってピストンの耐用前曲も短
くならざるを得なかった。そこで最近では耐熱衝撃性、
耐熱疲労性に浸れた合金鋳鉄等の高級鋳鉄でビス１〜ン
を作成することも行なわれている。

発明が解決すべき問題点 前述のように合金鋳鉄等の高級鋳鉄を用いてピストンを
作成した場合には、いたずらにピストン原材料コストの
上昇を招く問題かある。すなわち優れた耐熱性が要求さ
れるのは、ピストン全体のうちでも特にピストンヘッド
部、とりわけホットスポット部であって、その他の部分
には合金鋳鉄等の高級鋳鉄が必要とされるほどの耐熱性
は要求されず、したがってピストン全体を高価な合金鋳
鉄等で構成することは無駄なロス１〜増大を招くことに
なる。また合金鋳鉄等の高級鋳鉄では、鋳造性が普通鋳
鉄より劣ることが多く、そのため歩留りの低下を招く問
題もある。ざらに合金鋳鉄の場合機械加工性が劣って鋳
造後の機械加工に困難を伴なうこともある。このような
問題を解決するためには、普通鋳鉄等の安価でしかも鋳
造性、加工性も良好な鋳鉄でピストンを作り、その一部
すなわちピストンヘッド部のホットスポット部などを部
分的に強化する方法を適用することが望ましい。

しかしながら従来はこのような手法は確立されていなか
ったのが実情でおる。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、鋳
鉄を基材としてそのピストンヘッド部のうち耐熱衝撃性
、耐熱疲労性か特に要求される部位、例えばホットスポ
ット部を部分的に強化して、その部位の耐熱衝撃性、耐
熱疲労性を向上させた鋳鉄製内燃機関用ピストンおよび
その製造方法を提供することを目的とするものでおる。

問題点を解決するための手段 第１発明の鋳鉄製内燃機関用ピストンは、鋳鉄製ピスト
ンのピストンヘッド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性が
要求される部位に、Ａ１およびＳｌのう、ち少なくとも
一方が合計で０．１〜１０重量％含有されかつ微細塊状
黒鉛か分散晶出している合金化鋳鉄層が、表面から少な
くとも０．２ｍ以上の深さにわたって形成されているこ
とを特徴とするものである。

第２発明のＩ＆！造方決方法鋳鉄を原料としてビス１〜
ン粗形材を鋳造した後、そのピストン粗形材のピストン
ヘッド部における耐熱衝撃・耐熱疲労性が要求される部
位の表面にＡｌおよびＳｉのうち一方またはそれらの合
金もしくはＡｌ、Ｓ　ｉの少なくとも一方とＦｅとの合
金を配置し、その上から高密度エネルギを照射して急速
溶融−急速再凝固させることにより鋳鉄とＡ１および／
またはＳｌとの合金層を形成し、次いでこの合金層に８
００〜１１００°Ｃで１分間〜３時間加熱する再加熱処
理を施して、Ａｌ２．ｓ　ｒの少なくとも一方を合計で
０．１〜１０重量％含有しかつ微細塊状黒鉛か分散晶出
している合金化鋳鉄層を前記部位に表面から０．２ｍ以
上の深さにわたって形成することを特徴とするものであ
る。

作　　　用 ピストンの母材となる鋳鉄材料としては、コストおよび
鋳造性などの点からＪＩＳ　Ｆｅ１２．　Ｆｅ１２、Ｆ
ｅ１２などの普通鋳鉄が最も好ましいが、低合金鋳鉄な
ども用いることができる。

この発明では、上）小のような普通鋳鉄等からなるピス
トンのヘッド部のうち、特に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が
要求される部位、例えばホットスポット部のみ、後）ボ
するような合金化鋳鉄層か形成される。

このホットスポット部について説明すると、第１図は直
接噴射型ディーゼル機関用ピストンの一例を示すもので
あり、ピストン本体１は砂型鋳造等により鋳造された鋳
鉄製のものであって、そのピストンヘッド部２の頂面に
形成された凹状の噴口部３の内壁面上部からエツジ部へ
かけてのクロス斜線を施した部分が燃料噴射を直接受け
て最も高温となるホットスポット部４に相当する。また
第２図には、直接噴射型ディーゼル機関用ピストンの他
の例のピストンヘッド部２のホットスポット部４を示す
。ざらに第３図には通常のディーゼル機関用ピストンの
ピストンヘッド部２のホットスポット部４を示す。

上述のホットスポット部４の如く特に耐熱衝撃性、耐熱
疲労性が要求される部位に、Ａｌ、　Ｓ　ｉの少なくと
も一方を合計で０．１〜１０重量％含有しかつ微細な塊
状黒鉛が均一に分散晶出した合金化鋳鉄層が形成される
。ここでＡｉ’、　ｓ　ｒはフェライト生成傾向か著し
く強く、したかってその合金化鋳鉄層の７１〜リツクス
はフエライ１〜またはフェライト主体の組織となる。

従来からピストンに使用されている普通鋳鉄の場合、基
地がパーライト組織であるのが通常であり、その場合ピ
ストンのホラトスボッ１〜部等が使用時に高温となるこ
とにより徐々にセメンタイトが黒鉛とフェライトに分解
し、この際体積膨張が生じてこの膨張がホットスポット
部等の熱応力を大きくして亀裂発生を招いていたと考え
られる。

また従来の普通鋳鉄製ピストンでは晶出黒鉛が片状でし
かもその寸法が大きく、そのため片状黒鉛が熱応力等に
よる亀裂の起点や伝播部となり易く、このことも亀裂発
生の原因となっていた。しかるにこの発明のピストンに
おける合金化鋳鉄層は、特にＡｌおよび／またはＳｉの
合金化によって基地が安定なフェライトまたはフェライ
ト主体の組織となっておりしかもこのフェライト相は靭
性が高いため、亀裂発生を招くおそれが少なく、かつ亀
裂の成長も緩やかとなるのである。また晶出黒鉛形状も
塊状でかつ微細であることから、黒鉛が亀裂の起点や伝
播部となりにくい。したがってその合金化鋳鉄層を形成
したホットスポット部等の部位は、８１Ｓ分的に耐熱衝
撃性、耐熱疲労性か著しく改善されるのてめる。

ここで、Ａｌおよび／またはＳｌを合金化する理由は、
既に述べたようにそのフェライト生成傾向か大きいこと
を利用して基地をフェライトまたはフェライト主体とし
、基地組織を安定化させるとともに基地の靭性を向上さ
せ、亀裂発生を防止する点にあるが、それらの含有量か
合計で０．１重量％未満ではこれらの効果が充分に寿ら
れず、一方１０重Φ％を越えれば逆に脆くなってしまう
から、その合計含有量は０１１〜１０重量％の範囲内と
でる必要かある。

また上）小のような合金化鋳鉄層は、ホットスポット部
等にあける表面から少なくとも０２！Ｍｉ以上の深さに
わたって形成されている必要かめる。

０．２ｍｐｔ未満の）朶さては、上）ホの効果か充分に
得られない。

なお合金化鋳鉄層における微細塊状黒鉛は、その平均粒
径を待に２０ＪＪｍ以下とすることが好ましい。

このように２０ｐｍ以下とすることにより亀裂発生防止
効果をより確実に得ることができる。

次に前述のような合金化鋳鉄層を有するピストンの製造
方法、すなわち第２発明について説明する。

先ずピストン粗形材の製造法としては、前述のような普
通鋳鉄等の鋳鉄材料を原材料として、砂型鋳造等の通常
の鋳造法により鋳造ずれば良い。

得られたピストン粗形材に対しては、先ず高密度エネル
ギ源を用いて、Ａｌおよび／またはＳｌの合金化処理を
行なう。すなわち、ピストン粗形材のピストンヘッド部
のうち、特に耐熱衝撃性、耐熱疲労性が要求されるホッ
トスポット部等の部位の表面に、Ａ１またはＳｉもしく
はそれらの合金、あるいはＦｅ−Ａ１合金やＦｅ−Ｓｉ
合金もしくはＦｅ−Ａ１−Ｓｉ合金を配置し、その上か
らレーザ、電子ビーム、プラズマアーク、ＴＩＧアーク
等の高密度エネルギを照射することにより、表面に配置
されたＡｌおよび／またはＳｉとその下側の鋳鉄母材表
面層とを瞬時に急速溶融させて鋳鉄とＡｌおよび／また
はＳｌとを合金化し、続いてそのエネルギ照射位置の移
動もしくは照射停止によりその溶融した合金層を瞬時に
急速凝固させる。ここで、高密度エネルギの照射により
溶融した部分はピストン全体の質量に比べれば格段に小
さい質量でおるから、高密度エネルギ照射位置の移動も
しくは照射停止によってピストン母材側への熱移動によ
り溶融した合金層は瞬時に凝固し、微細な組織を有する
合金層となる。

ここで、Ａｌ、Ｓｉ、またはそれらの合金等をピストン
のホットスポット部等に配置するための具体的手法とし
ては、例えばそれらの粉末、圧粉体、薄板等を載置また
は溶射したりあるいはスラリーとして塗布したり、ざら
には必要部位に溝を加工してその中に充填したりすれば
良い。

次いでその合金層を、８００〜１１００℃の範囲内の温
度に１分間〜３時間再加熱した後、望ましくは５０℃／
分以下の冷却速度で９冷、放冷めるいは徐冷する。この
ような再加熱処理を加えることによって、合金層から微
細な塊状黒鉛が晶出するとともに基地組織がフェライト
相またはフェライト主体の組織となる。すなわち前述の
ようにフェライト相またはフェライト主体の組織をマト
リックスとしかつ微細塊状黒鉛が均一に分散した合金化
鋳鉄層が得られる。

ここで、合金層に対する再加熱処理の加熱温度が８００
　℃未満では均一かつ充分な黒鉛の晶出が得られず、一
方１１００°Ｃを越えれば部分的に共晶溶融が生じるお
それがおるとともに、黒鉛が粗大に晶出するおそれがあ
る。したがって加熱温度は８００〜１ｉｏｏ℃の範囲内
とした。また加熱時間が１分間未満では１１００℃に近
い高温でも充分に黒鉛が晶出せず、一方３時間を越える
長時間の加熱を施しても黒鉛の晶出は飽和し、経済的に
コスト上昇を招くだけでおり、したがって加熱時間は１
分間〜３時間とした。なお加熱温度がａｏ　ｏ　’ｃ近
辺と低い場合には加熱時間は３時間近い長時間とし、１
１００℃近辺と高い場合には加熱時間は１分間程度の短
時間とすることが好ましい。また上記の加熱温度、時間
の範囲内でも、特に９５０〜１０５０℃で１〜１０分間
加熱することがより望ましい。一方、加熱後の冷却は、
基地組織を均一なフェライトとするためには５０″Ｃ／
分以下の冷却速度とすることが望ましいが、この発明で
は強いフェライト生成傾向を有するＡｌおよび／または
Ｓｌを添加しているため５０°Ｃ／分を越える冷却速度
でも基地組織をフェライト主体とすることが可能でおる
。なお以上の加熱処理においては、合金層の部分のみを
加熱する局部加熱を適用することが好ましいが、場合に
よってはビスｌ−ン全体を加熱しても良い。局部加熱の
具体的加熱手段としては、高周波誘導加熱や火炎加熱（
バーナ加熱）等を用いることができ、またピストン全体
を加熱する場合は炉中加熱を用いることができる。

以上のように、高密度エネルギを用いた合金化処理によ
り表面層にＡｌおよび／または１１’と鋳鉄との合金層
を形成した後、再加熱処理を施すことによって微細な塊
状黒鉛がフェライト相もしくはフェライト主体の組織か
らなるマトリックス中に均一に分散晶出した合金化鋳鉄
層をホットスポット部等の所要の箇所に形成することが
できる。

なお前述の再加熱処理後は、適宜研削加工、研磨加工等
の機械加工を行なって最終的に製品ピストン形状に仕上
げれば良い。

実施例 実施例　１ ＪＩＳ　ＦＣ２５鋳鉄を溶解し、砂型鋳造によって外径
１２０ｍ、厚さ５０ｍの実験用鋳鉄円板を作成した。

これを外径１００ｍｍ、厚さ５ｍの円板状に機械加工し
、その板面の中心部の直径２０．の範囲内に、プラズマ
溶射法によってＡｌを０．２ｍ厚に溶射し、続いてその
上から交流ＴＩＧ電源を用いたＴＩＧアーク法により合
金化処理を行なった。なおＴＩＧアーク電流は１８０Ａ
とした。次いで電気炉を用いて１０５０′ＣＸ　１０分
間加熱後、１０℃／分の冷却速度で徐冷する再加熱処理
を施した。その後機械加工により第４図（Ａ＞、（Ｂ）
に示すように中心部に小孔（内径５ｍｍ＞５を有する熱
衝撃試験片に加工した。

前述の再加熱処理後の中心部直径２０ＩｎＩｎの範囲内
の金属組織を観察したところ、第５図（倍率４００倍）
に示すように、フェライトをマトリックスとしかつ平均
粒径３ｐｍの微細な塊状黒鉛が均一に分子［ｙだ合金化
鋳鉄層か得られていることが判明した。なおこの場合の
合金化鋳鉄層におけるＡ１８度は、分析の結果２．６重
量％であることが判明した。比較のため、上述のような
ＴＩＧアークによる合金化および再加熱処理を行なわな
い［Ｃ２５鋳鉄の組織を第６図（倍率４００倍）に示す
。この場合には基地のかなりの部分をパーライト組織が
占め、かつ大きな片状黒鉛が晶出していることが判る。

前述のようにして得られた熱衝撃試験片（本発明材）と
、比較のためのＴＩＧアークによる合金化および再加熱
処理を行なわないＦＣ２５鋳鉄の同形状の熱衝撃試験片
（比較材）とについて、加熱−冷却サイクルの繰返しに
よる熱衝撃性試験を行なった。なおこの試験における加
熱はプロパン−酸素バーナにより昇温速度１１．５°Ｃ
／　Ｓｅｃ　、加熱温度４５０℃とし、また冷却は水温
１８°Ｃの冷却水による水冷とした。

この熱衝撃試験においては、耐熱衝撃性が低い場合、加
熱−冷却による円周方向の膨張−収縮の繰返し熱応力に
よって中心部の小孔５から亀裂が発生して、ざらにその
亀裂が拡大する。この試験結果を第７図に示す。第７図
から明らかなようにこの発明による処理を行なわなかっ
たＦＣ２５鋳鉄の比較材の場合と比較し、本発明材では
亀裂発生に至るまでの熱衝撃繰返し数が格段に多く、し
たがって耐熱衝撃性が著しく優れていることが判る。

実施例　２ 実施例１におけるへ１０代りに８１を用い、その他の条
件は実施例１と同様として合金化処理−再加熱処理を行
なった。その場合の合金化鋳鉄層のＳｉ濃度は２．１重
量％であった。また実施例１と同様の熱衝撃試験を行な
った結果を第７図に併せて示す。この場合も、実施例１
のＡ１合金化の場合と同程度以上の優れた耐熱衝撃性を
示すことが判る。

実施例　３ ビス１〜ン材料として、ＪＩＳ　Ｆｅ１２の普通鋳鉄に
脱酸剤としてセリウム（Ｃｅ）を０．０２％添加したも
のを溶解し、砂型鋳造法により第１図に示すような形状
の直接噴射型ディーゼル機関用ビスｌ〜ンの粗形材を鋳
造した。このピストン粗形材の直径は１２０＃、噴口部
内径は４５＃である。

次いでピストン粗形材の噴口部内面上部からエツジ部に
かけてのホラトスボッ１一部に対してプラズマ溶射法に
よりＡｌを０．２．厚に溶射し、次いでその上から平均
電流２１０ＡとしたＴＩＧアーク法により合金化処理を
施した。その後、高周波誘導加熱装置を用い、合金化処
理が施された部分にに対して１０５０℃Ｘ　１０分間の
加熱後、１０℃／分の冷却速度の冷却を行ない、ざらに
機械加工によって外径１１５Ｉｒｕｎ１噴口部径４８．
のビス１〜ンに仕上げた。

口のビス１ヘンは、噴口部の縁部は径で５８．まで、噴
口部内は奥行きで頂面から８履の位置まで、実施例１の
第５図に示すようなフェライトを基地とする合金化鋳′
Ｊ）、層が形成されていることが確認された。なおこの
合金化鋳鉄層のＡ１８度を分析したところ、Ａ１１．８
重量％であることが判明した。

以上のようにして得られたピストンを３．５１の直接噴
射式ディーゼル機関に装着し、［３５０Ｏｒｐｍ×全負
荷Ｘ２０分コと［アイドリング×１０分」のサイクルの
繰返しによる耐久試験に供した。その結果、５００時間
までピストンに何らトラブルが発生しないことが確認さ
れた。一方、比較のため前述のような処理を施さない同
寸法のＦＣ２５鋳鉄製ピストンについて、同一の耐久試
験を行なったところ、３００〜４００時間で川口部のホ
ットスポット部に熱亀裂が多数観察された。このような
結果から、こ発明によるピストンでは耐熱衝撃・耐熱疲
労性が優れていることが判る。

実施例　４ 実施例３におけるＡ１の代りにＳｉを用い、その他の条
件は実施例３と同一として直接噴射型ディーゼル機関用
ピストンを作成した。この場合のホットスポット部の８
ｉ濃度は分析の結果１．９重量％でめった。また実施例
３と同様な耐久試験に供したところ、Ａｌの場合とほぼ
同様な優れた耐久性を示すことか確認された。

発明の効果 この発明の鋳鉄製ピストンは、ピストンヘッド部のうち
将にホットスポット部の如く耐熱衝撃性、耐熱疲労性が
要求される部位に、Ａｌおよび／またはＳｉを合金化す
ることによりマトリックスをフェライトもしくはフェラ
イト主体としかつ微細塊状黒鉛が均一に分散した合金化
鋳鉄層が形成されているため、その部位の耐熱衝撃性、
耐熱疲労性が著しく改善されており、したがってピスト
ン使用時の熱応力によつ−Ｃホットスポット部に亀裂が
生じるおそれが極めて少なく、ピストンの長寿命化を図
ることができるとともに、燃焼子の高温化ひいては高出
力化を図ることができる。またこの発明のピストンは特
に耐熱衝撃性や耐熱疲労性が要求される部分のみを強化
したものであって、ピストンの母材としては安価な普通
鋳鉄等を用いることができ、したがってピストンの原材
料コストを安価にすることができるとともに、加工性や
鋳造性を損なったりするおそれも少ない等の効果が得ら
れる。またこの発明の製造方法によれば、上述のように
浸れた長所を有する鋳鉄製ピストンを簡単かつ容易に得
ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではそれぞれこの発明か適用される
ディーゼル機関用ピストンの一例を示す縦断面図、第４
図（Ａ）、（Ｂ）は実施例における熱衝撃試験片を示す
図で、その（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図、第５図
は実施例における不発明材の合金化鋳鉄層の金属断面組
織写真、第６図は比較材の金属断面組織写真、第７図は
熱衝撃試験結果を示ず図である。 １・・・ピストン、　　　２・・・ピストンヘッド部、
４・・・ホットスポット部（合金化鋳鉄層を形成する部
分）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳鉄製ピストンのピストンヘッド部における耐熱
   衝撃・耐熱疲労性が要求される部位に、ＡｌおよびＳｉ
   のうち少なくとも一方が合計で０．１〜１０重量％含有
   されかつ微細塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層
   が、表面から少なくとも０．２ｍｍ以上の深さにわたっ
   て形成されていることを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピ
   ストン。
2. （２）鋳鉄を原料としてピストン粗形材を鋳造した後、
   そのピストン粗形材のピストンヘッド部における耐熱衝
   撃・耐熱疲労性が要求される部位の表面にＡｌおよびＳ
   ｉのうち一方またはそれらの合金もしくはＡｌ、Ｓｉの
   少なくとも一方とＦｅとの合金を配置し、その上から高
   密度エネルギを照射して急速溶融−急速再凝固させるこ
   とにより鋳鉄とＡｌおよび／またはＳｉとの合金層を形
   成し、次いでこの合金層に８００〜１１００℃で１分間
   〜３時間加熱する再加熱処理を施して、Ａｌ、Ｓｉの少
   なくとも一方を合計で０．１〜１０重量％含有しかつ微
   細塊状黒鉛が分散晶出している合金化鋳鉄層を前記部位
   に表面から０．２ｍｍ以上の深さにわたって形成するこ
   とを特徴とする鋳鉄製内燃機関用ピストンの製造方法。